Использование солнечной энергии в бытовых целях

Министерство образования  РФ

НИИ Иркутский государственный  технический университет

Кафедра электроснабжения и  электротехники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине

«Нетрадиционная энергетика»

на тему:

«Использование солнечной энергии в бытовых целях»

Вариант №31

 

 

 

 

 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы ЭПзу-08-2

Шеин Александр Сергеевич

 

 

Проверил преподаватель:

Новожилов

Михаил Александрович

 

 

 

Иркутск 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Выработка электричества  3

Нагревание воды8

Отопление 11

Охлаждение 17

Подогрев воды в бассейне19

Список литературы 21

 

 

 

Выработка электричества

Известно, что почти все доступные человечеству источники энергии в своей  основе имеют энергию Солнца. Уголь, нефть, газ – останки древних организмов; дрова – части растений, само существование которых невозможно без солнца, ветер – результат разницы температур различных частей поверхности планеты; течение рек – результат кругообращения воды – тоже невозможен без солнца; пожалуй, только энергия приливов – результат воздействия Луны, а не Солнца, но без Солнца вода не была бы в жидком состоянии и энергию приливов нельзя было бы использовать. Только ядерная энергия имеет в своей основе свойства вещества, а не результат воздействия нашего светила.

С появлением технологий, позволяющих  использовать непосредственно солнечный свет в качестве источника энергии, стало возможным широкое распространение фотоэлектрических устройств. Давно известны калькуляторы, часы, в которых источником энергии служит маленькая фотоэлектрическая батарея. Большие батареи солнечных элементов называются солнечными модулями и используются для получения электроэнергии в больших масштабах. С ростом цен на углеводородное топливо значение фотоэлектричества возрастает очень сильно: вы платите один раз за оборудование – и долгие годы получаете энергию от нашего светила, т.к. эксплуатационные расходы очень малы, получаемую энергию можно считать практически бесплатной.

Бытует  мнение, что солнечные ресурсы  России очень малы и не позволяют  в полной мере использовать фотоэлектрические установки. Это не так, даже в средней полосе России солнечной энергии достаточно для круглогодичной работы солнечной электростанции, а чем дальше к востоку, тем солнечных ресурсов больше. Для примера: в Германии солнечной энергии меньше, чем в Подмосковье, но, тем не менее, уже несколько лет с успехом реализуется программа «Сто тысяч солнечных крыш». В рамках этой программы государство стимулирует развитие солнечной энергетики, давая дешёвые кредиты на покупку солнечных электростанций и покупая произведённую энергию по повышенным тарифам; подобные программы действуют в Испании, Греции, Болгарии, США, Монголии. Страны ЕЭС поставили задачу к 2020 году довести производство электроэнергии от альтернативных и возобновляемых источников до 20% от всей произведённой энергии.

В России в связи с дефицитом  мощностей дороговизной, а иногда и невозможностью, подведения энергии к новым объектам в последние годы получили распространение автономные солнечные электростанции и устройства бесперебойного электроснабжения с подпиткой от солнечной энергии.

Надо  заметить, что проблемы электроснабжения и энергосбережения идут рядом, достаточно высокая стоимость фотоэлектрического оборудования заставляет задуматься о рациональном расходовании полученной энергии. Для примера: одна замена ламп накаливания на люминесцентные с электронными балластами позволит в 5 раз снизить затраты на освещение, для наружного освещения применение натриевых ламп вместо ртутных позволит снизить расход энергии в 5-10 раз. Современная бытовая техника с индексом энергопотребления А или А+ также позволяет значительно снизить расход энергии. Значительную долю в структуре энергозатрат в России составляют различного рода электронагреватели, применение вместо традиционных ТЭНов тепловых насосов с инверторным приводом в комбинации с высокоэффективными солнечными коллекторами позволит снизить затраты энергии на отопление и получение горячей воды в 3-5 раз.

Рисунок 1. Солнечная электростанция 0,5 кВт

С чего начать, если вы задумали поставить собственную солнечную электростанцию? Прежде всего необходимо проанализировать и попытаться рассчитать два параметра: суммарную мощность оборудования, которое будет питаться от этой электростанции, с учётом пусковых токов и желаемое потребление в кВт*часах в день или месяц. При этом надо учитывать, что при круглогодичной эксплуатации в зимнее время в некоторых областях значительно уменьшается количество поступающей солнечной энергии (например, Санкт-Петербурге в 7-8 раз, в Москве в 2.5 раза, на юге России в 2 раза, на Дальнем Востоке – приятное исключение – и зимой и летом почти одинаковый уровень падающей солнечной энергии). Про пусковые токи надо сказать отдельно: некоторые устройства, особенно с электродвигателями, имеют значительные пусковые токи, превышающие номинальные: у холодильника в 10-12 раз, у кондиционера (не инверторного) в 4-5 раз, у водяного центробежного насоса в 2-4 раза, вибрационный насос, благодаря принципу работы, постоянно потребляет в 5 раз больше энергии, чем указано на его этикетке.

Рисунок 2. Солнечная электростанция 4 кВт

После этого надо получить информацию об уровне солнечного излучения (инсоляции) в той местности, где вы планируете эксплуатировать солнечную электростанцию. Эти данные имеются в интернете или в ближайшем филиале Гидрометеоцентра. Имея эти данные и зная КПД устройств, входящих в солнечную электростанцию, можно рассчитать необходимое количество солнечных модулей, параметры контроллера заряда, мощность инвертора, ёмкость аккумуляторов, необходимость и мощность дополнительного источника энергии и зарядного устройства.

Желательно  все компоненты системы рассчитывать с избытком, т.к. природные явления, к которым относится инсоляция, могут сильно различаться в разные годы.

Если  не учесть пусковые токи при выборе мощности инвертора, то при включении оборудования возможны отключения из-за перегрузки и даже выход из строя дорогостоящего электронного блока. Остановимся подробнее на отдельных компонентах солнечной электростанции.

Солнечные модули.

Рисунок 3. Мачта освещения с питанием от солнечной батареи

Солнечные фотоэлектрические модули представляют собой батарею полупроводниковых элементов, обладающих фотоэлектрическими свойствами (способностью генерировать ЭДС под воздействием фотонов света), объединённую в единую конструкцию. Для лицевой поверхности модуля в настоящее время используют специальное просветлённое и закалённое стекло с антибликовой поверхностью или прозрачный поликарбонат. Элементы герметизируются в вакуумной камере пластическими материалами. Наибольшее распространение получили модули с применением поли- и монокристаллов кремния. Также используется аморфный кремний и полупроводники не на кремниевой основе. Элементы соединены последовательно и/или параллельно для получения нужных параметров по току и напряжению. Обычно для придания дополнительной прочности модуль обрамляется в рамку из алюминиевого профиля. Контакты выводятся в герметичную коробку на задней поверхности модуля. Для построения солнечной электростанции модули располагают на каркасе под оптимальным углом к солнечным лучам, для каждого времени года и местности этот угол имеет разное значение и колеблется примерно в диапазоне ± 300 от широты местности. Иногда применяют специальные устройства для автоматического позиционирования модулей на солнце — трекеры, это позволяет увеличить дневную выработку энергии на 20-50%. Модули соединяют в общую систему проводами, для уменьшения потерь дли- на проводов должна быть как можно мень- ше, а их сечение как можно большим.

Контроллер.

Электрическая энергия постоянного тока, которую  вырабатывают солнечные модули, поступает  на устройство, называемое контроллером. Если система автономная, то контроллер является контроллером заряда и не допускает выхода из строя от перезаряда аккумуляторов, в которых накапливается энергия, если её производится больше, чем потребляется. Существует великое множество конструкций контроллеров заряда, наиболее эффективные – импульсные и использующие функцию MPPT (Maximum Power Point Trecker) – отслеживания точки максимальной мощности. Дело в том, что выработка энергии фотоэлектрическим модулем сильно зависит от освещённости, а при зарядке аккумуляторов и от их степени заряда. Контроллер MPPT отслеживает эти параметры и обеспечивает максимальную эффективность фотоэлектрической системы.

Аккумуляторы.

Для автономных систем применяются герметичные, необслуживаемые аккумуляторы, собранные по технологиям GEL и AGM, с длительным сроком службы. В отдельных случаях допустимо применение щелочных аккумуляторов, не обладающих эффектом «памяти», в тех устройствах, где потребляется постоянный ток. Применение кислотных стартерных аккумуляторов нецелесообразно, т.к. такие аккумуляторы могут быстро выйти из строя из-за сульфатации и расслоения электролита.

Инверторы.

Рисунок 4. Солнечная электростанция Комплекс «Фотон» для подъездов жилых домов

Инвертор – это устройство, преобразующее запасённую в аккумуляторах энер- гию постоянного тока в энергию переменного тока нужного напряжения и частоты. По форме выходного сигнала инверторы бывают с чисто синусоидальным выходом, с квазисинусоидальным и сигналом прямоугольной формы. Применение чисто синусоидальных инверторов не имеет ограничений, если вы применяете инверторы с другой формой выходного сигнала – могут не работать отдельные приборы, например, аналоговые блоки питания, асинхронные двигатели работают с повышенным шумом и могут выйти из строя, не работают некоторые устройства автоматики и т.д. Стоимость инвертора с чистой синусоидой значительно выше, но качество получаемой энергии можно назвать идеальным. Мощность инвертора подбирается, как было сказано выше, с запасом с учётом пусковых токов, и лучше иметь ещё дополнительный запас по мощности в 20-30%, в таком случае инвертор будет работать долго и надёжно. Иногда используются солнечные электростанции для подпитки существующей электросети, в таком случае аккумуляторы не используются, а энергия, полученная от солнечного света, напрямую передаётся в сеть – такие системы называются «grid-tie» (связанные с сетью) и используются там, где существует локальная перегрузка электрических сетей. В России до настоящего времени подобные системы не находили применения. Таким образом, применение солнечной энергии для электроснабжения самых разных потребителей развивается в соответствии с ростом потребностей и стоимостью углеводородного топлива. Можно прогнозировать бурный рост этой отрасли в ближайшие годы. Интерес к солнечной энергетике постоянно подогревается сообщениями информационных агентств о запуске в эксплуатацию мощных солнечных электростанций в южной Европе, США, Австралии, Японии, Китае и других странах.

Среди крупных и перспективный солнечных  электростанций стоит отметить проект использования солнечной энергии в Султанате Оман.

Швейцарский инвестиционный фонд «Terra Nex» и немецкий «Middle East Best Select» намереваются инвестировать в Султанат Оман в проект производства электроэнергии из энергии солнца в объеме 400 мегаватт.

Фонды «Terra Nex» и «Middle East Best Select», специализирующиеся на изучении природных ресурсов и разработке инвестиционных проектов в странах Ближнего Востока, планируют создать интегрированный проект общей стоимостью 2 млрд. долларов США для развития технологии эксплуатации солнечной энергии и производства солнечных панелей в нефтегазоэкспортирующем Омане для внутреннего использования и экспорта.

Президент компании «Terra Nex» Давид Хаймхофер заявил: «Стабильная обстановка в Омане и политика защиты окружающей среды со стороны властей Султаната делают его хорошим партнером в этом проекте. То, что правительство Омана стремится к 2020 году обеспечить около 10% общего потребления энергии из возобновляемых источников, очень похвально. Этот план, безусловно, может быть осуществлён благодаря упомянутому проекту».

Солнечная энергия вполне сможет обеспечить жилые  дома электричеством для всех бытовых  нужд

Проект  состоит из строительства следующих  основных объектов: первое – строительство  электростанции на солнечной энергии  мощностью до 400 мегаватт, второе –  завод по изготовлению солнечных  батарей, третье – завод по производству алюминиевых конструкций для  панелей солнечных батарей.

Проектом  предусмотрено обеспечение электроэнергией  спроса внутреннего рынка и экспорт  её, а также создание учебного заведения, обучающего технологии возобновляемой энергии при сотрудничестве с одним из ведущих европейских университетов. Он может создать около 2 тысяч прямых и непрямых рабочих мест в сферах промышленности, строительства и обслуживания. Проект будет финансироваться в основном немецкими инвесторами.

Несмотря  на обилие солнца в странах Ближнего Востока, вырабатываемой этими странами энергии крайне мало по сравнению с Европой и США.

Благодаря поддержке отрасли со стороны  правительства Германии, Германия стала  одним из самых больших рынков мира по производству и потреблению  возобновляемой электроэнергии. Но оно постепенно стало снижать финансовую помощь этой отрасли с целью уменьшения себестоимости продукции.

Помимо  выработки электроэнергии, солнечная  энергия в быту используется также  для горячего водоснабжения, отопления  помещений, охлаждение помещений, воздушного кондиционирования и подогрев плавательных бассейнов.

Нагревание воды

Когда солнечные лучи падают на какую-нибудь поверхность, ее температура повышается по сравнению с окружающим воздухом. Это повышение температуры есть результат накопления тепла на этой поверхности благодаря поглощению энергии солнечной радиации. Если под нагревающейся поверхностью мы устроим емкость, в которой будет циркулировать вода, то вода будет нагреваться.